智能平衡车如何控制快慢（电动智能平衡车怎样调平衡）

基于PID控制的智能平衡车设计与实现

难度系数：4分
工作量：4分
创新点：3分

1 课题背景

随着机器人研究的进一步深入，在工业生产、安防系统、智能家居、物流网等领域
的应用更加广泛，在实际应用中，可能遇到复杂的任务环境。

相比多轮的轮式机器人，两轮自平衡机器人体积小，运动灵活，能够在比较狭窄、需要大转角的场合中运动。这种机器人两轮共轴，可以通过运动保持自身平衡，能实现前进、后退、转向、原地静止等基本运动功能，由于其结构特殊，能适应不同的地形环境，研究两轮自平衡机器人，具有重要的意义。

智能平衡车如何控制快慢,电动智能平衡车怎样调平衡(1)

2 设计内容

使用 ARM Cortex-M4 内核的 Freescale K60 单片机为主控制器，对加速度计和陀螺
仪的数据进行融合，得到车身倾角最优估计，设计 MOS 电机驱动电路，编写 PID 控制算法控制车轮，达到自主直立的目的。利用编码器构成速度反馈回路，使用 PID 控制算法进行速度和转向的控制，最终使其保持平衡、实现期望的运动。本文将就倾角融合算法、机器人控制算法等问题展开研究，具体内容如下：

1）硬件电路设计：设计制作主控电路板、电机驱动控制板。
2）传感器数据融合：将陀螺仪所测数据和加速度计所测数据进行融合，得到稳定、可靠的倾角值。
3）控制程序设计：通过对状态反馈控制、 PID 算法等方法和理论的研究，设计控制程序，使小车能够完成直立、前进、后退、转向等运动功能。
4）单片机程序设计：设计单片机程序，使其具备人机交互、控制等功能。

3 设计方案3.1 设计思路

从控制的角度来看，电机是系统唯一的控制对象。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务：

（1）直立控制任务：车模的倾角作为控制的输入量，使用PD算法，控制车模稳定在平衡位置。
（2）速度控制任务：直立车模的速度控制与普通的车模速度控制不同，在直立系统中，速度控制是通过改变车模倾角来完成的。具体实施思路是，对电机转速加入干扰，使车身偏离平衡位置，以此刺激直立控制任务，从而达到控制速度的目的，速度控制使用PI算法。
（3）方向控制任务：通过控制两个电机的差速来达到转向的目的，方向控制使用PD算法，使用X轴的角速度作为微分项的因子，可以极大改善转向的动态性能，避免振荡。

程序设计中，三个控制任务独立进行计算。但是每一个任务的控制对象都是电机，因此它们直接也存在着干扰与耦合。在设计每一个控制任务时，为了便于分析，都假设其他两个任务是稳定的。例如，在进行速度控制程序设计时，车模是能够稳定直立的；在进行方向控制程序设计时，车模的直立控制和速度控制都是稳定的；

在进行直立控制时，车模的速度控制和方向控制都是稳定的。这三个任务中保持车模平衡是最关键的。由于车模同时受到三种控制的影响，从车模平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为它的干扰。为了避免影响车模平衡控制，这个车模倾角的改变需要非常缓慢的进行。因此，虽然三个控制任务独立运行，但是它们之间有优先级，即控制应该最优先满足直立的要求，其次是方向控制的要求，最后才是速度控制的要求。

智能平衡车如何控制快慢,电动智能平衡车怎样调平衡(2)